熔融石英陶瓷坩埚的制备方法技术

一种非金属材料技术领域的熔融石英陶瓷坩埚的制备方法，通过将颗粒级配的熔融石英陶瓷粉与预混液配制成浆料后进行真空除泡处理，然后经浇注、固化、脱模和干燥烧结后制成石英陶瓷坩埚。本发明专利技术采用颗粒级配的熔融石英粉作为原料，制备得到的坩埚的组织结构均匀，具有优异的抗热震、耐高温性能以及化学稳定性，能够满足多晶硅生产的工艺要求，且工艺简单、制作周期短，成本低廉，适于产业化应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种无机非金属材料
的方法，具体是一种熔融石英陶瓷 坩埚的制备方法。
技术介绍
陶瓷坩埚是多晶硅铸锭用的容器。太阳能多晶硅行业多采用熔融石英作为原料来 制作陶瓷坩埚，主要是因为熔融石英具有较高的耐酸碱侵蚀性能和抗热震性能，特别是热 膨胀系数比其它陶瓷材料低得多，所以石英陶瓷坩埚已成为多晶硅生产过程中不可替代的 关键性消耗材料。目前，制作石英陶瓷坩埚的主要方法包括传统的注浆法和上世纪90年代初发展 起来的凝胶注模法。经过对现有技术的检索发现，中国专利申请号200810124615. X中记载 了一种采用了注浆法制作用于多晶硅铸锭的石英陶瓷坩埚。该技术公开的工艺主要是采用 石膏模具吸水沉淀法来实现石英颗粒的堆积成型，但采用该工艺制作的陶瓷坩埚会不可避 免地存在高度和壁厚方向上石英颗粒粗细分布不均，产生密度梯度，造成坩埚整体的力学 和热学性能下降；同时生产周期长，坯体强度低，并要求多套石膏模具相配。进一步检索发现，中国专利申请号200910087303.0中公开了一种采用复合多级 熔融石英粉为原料，凝胶注模法制作石英陶瓷坩埚的技术。该技术的特点是通过控制石英 粉体的粒度级配，获得组织结构均勻，孔隙率可控，具有优良抗热震和耐高温性能的石英坩 埚。但是该方法存在一定的缺陷。首先，通过凝胶注模方法得到的陶瓷素坯，具有类似橡胶 的弹性，而刚度较低，由于坩埚素坯的尺寸较大，所以在其彻底干燥之前因坩埚的自重变形 就很难控制；其次，石英陶瓷浆料在抽真空除气的过程中，由于空气迅速排出，易导致浆料 凝胶化提前进行，所以固化时间较难控制；第三，采用凝胶注模方法制作熔融石英坩埚，通 常需要在高湿度和室温条件下长期干燥至坯体不再发生显著收缩，然后才能在更高温度下 进行干燥，因此干燥周期很长。综上所述，探索制作石英陶瓷坩埚的新技术，依然是太阳能多晶硅铸锭领域的重 要研究方向。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提供一种， 采用颗粒级配的熔融石英粉作为原料，制备得到的坩埚的组织结构均勻，具有优异的抗热 震、耐高温性能以及化学稳定性，能够满足多晶硅生产的工艺要求，且工艺简单、制作周期 短，成本低廉，适于产业化应用。本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术通过将颗粒级配的熔融石英陶瓷粉与 预混液配制成浆料后进行真空除泡处理，然后经浇注、固化、脱模、干燥和烧结后制成石英 陶瓷坩埚。所述的颗粒级配的熔融石英陶瓷粉通过以下方式制备得到选取纯度达到99. 9wt. % 或以上且粒度分别为 0.1ym 1.0ym、1.0ym 10ymfP10ym 100ym 的熔融石英粉，按照以下重量配比粒度为0. 1 μ m 1. 0 μ m的石英粉为5_20 %，粒度为 0. Iym LOym的石英粉为30-60%，余量是粒度为10 μ m 100 μ m的熔融石英粉，将配 比后的熔融石英粉装入混料机中进行干法混合，混合时间为池以上，获得颗粒级配的熔融 石英陶瓷粉。所述的预混液的组分及含量为硅酸乙酯35wt. %、无水乙醇30wt. %、异丙醇 2. 5wt. %、丙二醇甲醚IOwt. %、酸性硅溶胶22wt. %以及盐酸0. 5wt. %，其中硅酸乙 酯的纯度> 99wt. %，H值为3-4，固含量30wt. % ；酸性硅溶胶中的氧化硅胶体粒子粒径 10 15nm;无水乙醇的纯度彡99. 5wt. % ；丙二醇甲醚的纯度彡98wt. % ；异丙醇的纯度 彡99. 5wt. % ；盐酸的纯度彡99wt. %0所述的浆料通过以下方式制备得到将预混液和颗粒级配的熔融石英陶瓷粉以重 量比为80 20 50 50的比例配料后放入球磨机球磨lh-ia!后获得石英陶瓷浆料。所述的真空除泡处理是指将浆料放入真空容器中进行搅拌除泡5-30min，然后 称取预混液重量的0. 5-2%的固化剂加入浆料中，继续搅拌除泡1-aiiin。所述的固化剂的组分及含量为纯度> 98. 5wt. %的二正丁胺30重量份以及纯度 彡99. 5wt. %的无水乙醇70重量份。所述的浇注固化脱模是指采用压差注入或常压注入的方式将固化处理后的浆料 注入金属、塑料、玻璃或陶瓷模具制成的模具中，并在室温下放置直到浆料固化，然后将已 固化的石英陶瓷坩埚素坯脱模。所述的干燥烧结是指首先在室温下自然干燥12_48h，然后在室温下干燥的素坯 放于烧结炉中以0. 50C _5°C的升温速率加热到1150°C -1350°C并保温lh_24h，冷却后获得 熔融石英陶瓷坩埚。与以丙烯酰胺等有机物为单体的凝胶注模方法相比，本专利技术的优点包括首先，采用了以硅酸乙酯和酸性硅溶胶为主的预混液，与二正丁胺可以在常温下 即可发生固化反应，发生反应的时间可根据二正丁胺和预混液的比例进行调整，即浆料的 固化时间随着固化剂加入量的增加而缩短，固化时间的可控性保证了操作者能够预留出充 分的时间来完成注模过程，同时不需要对模具进行加热即可实现浆料的固化，简化了操作 工艺；其次，采用了以硅酸乙酯和酸性硅溶胶为主的结合剂，经高温烧成，均可转变成与熔 融石英粉体具有相同成分的二氧化硅，所以坩埚中无其它的陶瓷相，保证了坩埚的化学组 成的均一性；第三，由于采用了以无水乙醇等挥发速率高于水的有机溶剂为分散介质，所以 不需要在高湿度和室温的条件下进行预干燥，而且还不需要在高于室温的烘箱中进一步干 燥，直接进行烧结即可，节约了能源和制作时间；第四，经室温干燥后得到的素坯，具有一定 的硬度，而不像以往的凝胶注模方法得到的素坯具有一定弹性，所以在干燥过程中不会因 重力作用而发生变形，保证了坩埚的尺寸精度。具体实施例方式下面对本专利技术的实施例作详细说明，本实施例在以本专利技术技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施 例。实施例1第一步，配制颗粒级配的熔融石英陶瓷粉按照IOOKg熔融石英陶瓷粉来配料，称取粒度为0. 1 μ m 1. 0 μ m的石英粉为 ^g，粒度为0. Ιμπ Ι.ομπ 的石英粉为4^(g，粒度为ΙΟμπ 100 μ m的熔融石英粉 55Kg，装入混料机中进行干法混合，混合时间为证，获得用于制作坩埚的熔融石英陶瓷混合 粉料，备用。第二步，配制预混液按照IOOKg配制预混液，优选配方如下硅酸乙酯35Kg，无水乙醇30Kg，异丙醇 2. 5Kg,丙二醇甲醚10Kg，酸性硅溶胶2Ig，盐酸0. ^(g，将上述化学试剂加入到搅拌桶中， 采用强力搅拌方式将上述化学试剂混合均勻得到混合溶液，并采用冷却方式将混合溶液温 度控制在7-ll°C之间。通过以上过程得到的混合溶液为预混液，备用。第三步，配制固化剂按照IOKg配制固化剂，称取二正丁胺Ig，无水乙醇7Kg，加入到搅拌桶中，混合均 勻，作为固化剂，备用。第四步，坩埚素坯的制作称取第二步配制的预混液20公斤，放入到带有抽真空装置的球磨机中，然后加入 第一步配制的熔融石英陶瓷粉80Kg，球磨混合12h，真空除气30分钟，然后加入第三步配制 的固化剂100g，继续搅拌2分钟，注入到模具中，在室温下保持约30min，浆料固化成为素 坯；素坯脱模后，放于水平的平台上，约12小时后，素坯完全干燥；将干本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种熔融石英陶瓷坩埚的制备方法，其特征在于，通过将颗粒级配的熔融石英陶瓷粉与预混液配制成浆料后进行真空除泡处理，然后经浇注、固化、脱模和干燥烧结后制成石英陶瓷坩埚。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李飞，吕和平，王飞，何博，孙宝德，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]